隔爆外壳的设计(供参考)

1、隔爆外壳的设计防爆电器丛书隔爆外壳的设计刘让 编著二零零七年八月浙江乐清隔曝外壳的设计 刘让编著 一概述防爆产品的外壳设讣，特别是隔爆型外壳的设汁已有许多方法，本文想从理论基础 说起，尽量避免繁琐的高等数学的讣算，并简化计算以达到实用性强、易掌握的LI的。 使防爆产品的质量有更大的提高。本文主要针对从事防爆产品设计和防爆外壳工艺的技术人员，并具有中专学历以上 的人员学习，隔爆外壳的设讣包括两个方面的内容：1隔爆参数的设计；2.外壳强度的设计。外壳的隔爆参数主要是指隔爆结合面的形式、隔爆面间隙和结合面的宽度以及结合 面的粗糙度等，这些参照GB3836的有关内容正确选择就可以。近年来，随着技术的发

2、 展，方壳和快开门结构使用越来越多，外壳主腔使用螺钉紧固逐渐减少（但在厂用防爆 产品中仍用的较多），矿用产品螺钉紧固方式大多用于接线箱和一些小产品中，因此新 的结合面紧固方式也是外壳设讣的主要部分。外壳的强度设讣，是如何用最少的材料设讣出强度足够的隔爆外壳，这也是许多专 家研究的课题，至今尚未见到一种成熟而乂精确的计算方法，设计中采用经验数据较多, 有的通过试验来验证，浪费材料和裕度过大是常见的。二外壳设计的理论基础1虎克定律公式厶=弘EA杆受拉力纵向伸长ZXL二LlL （图1）隔爆外壳的设汁单位长度杆的纵向伸长（线应变）: =LP轴向力A杆的横截面E弹性模量MPaEA杆的抗拉（压）刚度这样虎

3、克定律的另一表达式 =|2低碳钢试件的拉伸图（1）标准试样（图2）L工作段在这一长度内任何横截面上的应力均相同L=10d 或 L=5dL=11.3. a 或 L=5.65 IABl處克定律0=- 杆中的正应力（拉为正，压为负） AS2林魏样（2）低碳钢试样的拉伸图（图3）图3低碳钢拉伸图I弹性阶段EAII屈服阶段试件长度急剧变化，但负载变动小。III强化阶段要继续伸长，所需要克服试件中不断增长的抗力，材料在塑性变形中不断发生强化所致，这阶段塑性变形。IV局部变形阶段 试件伸长到一定程度后，负载读数反而逐渐降低，出现”颈缩”现象, 横截面急剧减小，负载读数降低，一直到试件拉断。（3）卸载规律在强

4、化阶段如果终止加载，在终止加载过程中，负载与伸长量之间遵循直线关系， 此直线be和弹性阶段内的直线oa近似平行，这过程为卸载，并将卸载时负载与试件的 伸长量之间遵循的直线关系的规律称为材料的卸载规律。（图4）曲此可见，在强化阶段中，试件的变形实际上包括了弹性变形和塑性变形ALs 两部分，在卸载过程中，弹性变形逐渐消失，只留下塑性变形。若重新加载，仍从c点开始，一直到b点，然后沿原来的曲线。a A,ALsC/ALeALPAL隔爆外壳的设汁若对试件预先施加轴向拉力，使之达到强化阶段，然后卸载，则再加负载时，试件 在弹性范圉内所能承受的最大负载将增大，这称为材料的冷作硬化现象，这可用来提高 材料在弹

5、性范圉内所能承受的最大负载。（4）应力一应变曲线或o 曲线（图5）比例极限：A点以下，应力和应变成正比，符合虎克定律op弹性极限：弹性阶段最高点B,是卸载后不发生塑性变形的极限 o eop与oc数值相差不多，可统称弹性极限。屈服极限：屈服阶段。有幅度不大的波动，最高点C应力为屈服高限，D点为屈服低限。从试验结果可知，屈服低限较为稳定，故称为屈服极限os强度极限：强化阶段的G点为最高点，此点应力达到最大值，称为强度极限ob对低碳钢来讲，极限应力：os, ob是衡量材料强度的两个重要指标。延伸率：J = xlOO% （L=10d 时）Z-zLi拉断后的杆长;L原长隔爆外壳的设计材料名称牌号EGPa

6、 sMPa bMPaS5%（L=5d 时）低碳钢Q235200-21024040025-27中碳钢4520936061016低合金钢16Mn200290-350480-52019-21泊桑比 U横向线应变/,在应力不超过比例极限Op时，它与纵向线应变的绝对值 之比为一常数。3术语和公式 （1）挠度：轴线上的点在垂直于X轴方向的线位移u称为该点的挠度。横截面绕其中性轴转动的角度0称为该截面的转角。（图6）（2）梁（把钢板当成两端被固定支撑的梁）在弯曲时，在横截面上既有拉应力也有压应力,在中性轴为对称轴时，拉压应力在数值上相等。M弯应力： O max=对圆形截面 抗弯矩 Wz= nd332对矩形截

7、面抗弯矩 Wz=1 bh2 （图7）6三经验公式外壳的强度问题，归根结底是外壳壁厚的讣算,隔爆外壳的设计 按照GB3836的有关规定，爆炸压力若以静压力考虑，对I类II A和I1B产品的外壳为 IMPa ； Il C 为 1.5MPa。受内圧操作的筒体外壳壁厚的讣算：PDe 2300b_p + C式中：S :筒壁片 mmP：容器工作压力MPaDe：容器内径 mm“：焊缝强度系数De=400-500mm采用人工单面焊接取 4)=0.7De 600mm 釆用人工双面焊接取=0.95o：许用拉伸应力0=0血o b材料的强度极限o b=380-400 MPa (Q235)n：安全系数取3.5C：为弥补

8、钢板负公差所增加的厚度钢板厚度在20mm以下取C= 1 ：厚于20mm取C = 0这一公式是大容器的经验公式，在防爆电器中壁厚大于20mm的很少，所以系数C 要酌情考虑。四大型矩形外壳的讣算基础I考虑材料塑性时梁的极限弯矩一般的计算考虑材料是在弹性范圉内工作，我们需要要进一步研究材料在受到弯曲 时的最大正应力达到材料屈服极限以后的弯曲问题。隔爆外壳的设计10纯弯曲时，梁的容许弯矩 W=WXo山以下分析可知，对于塑性材料制成的梁，以此W为梁的容许弯矩在强度方面尚未发 挥材料的潜力。把低碳钢的0 曲线简化(1)当应力不超过os时，材料符合虎克定律；拉伸、圧缩时的弹性模量相等，Os也相等；(图8(3

9、) 应力达到os后，应变在此应力下增加，当外o力大到一定时，距中性轴最远的应力为Omax=Os 此时Ms= o sXW,这即(*)式所允许的最大弯矩，此时，材料并无塑性变形。(图9)当外力继续增加，横截面上的正应力将按OS值逐渐向中性轴发展，最后，全部达到OS,此时的弯矩，就是考虑材料塑性时的极限弯矩Mjx，(图10) 此时横截面上各点均发生塑性变形，在不增加外 力的情况下，整个梁将继续变形，前已说，由于 卸载规律，材料发生强化作用，实际的Mjx比理想值 要大。具体分析一下Mn的变化。按静力平衡条件，整个横截面上的法向内所有元素所 组成的合力N = 0(图11)N =二 o sdA+ (- o

10、 s)dA=0得Al=Aa Al：受拉面积Aa：受压面积N=0也是确定中性轴位置的条件，在此条件下，法向内力元素所组成的力偶矩就是梁的极限弯矩MjxMjx= L y sdA+ J”(-y)(- s)dasL ydA+L ydAO S(Si+Sa)对于具有水平对称轴的横截面Sl=Sa = S;Sl+Sa = 2SS为半个横截面的面积对中性轴的面积矩.- Mjx= o sWsWs = 2SWS为塑性抗弯截面模量(cm3)对于矩形截面(图12)s=ixr=bXixz=T将 Mjx= o sWs与M= o SW相比较得:M VVb$12对不同的截面形状MUM的比值不同，但都大于1,所以，在考虑材料塑性

11、时梁的容许弯矩Mjx也就相应地会比M有所增大。见下表:1.15-1.171.271.51.70儿点说明:1初绕度实际上是利用材料的卸载规律，提髙材料的强度；（图13a）2板材焊筋是提高零件的抗弯矩；（图13b）3板材上压筋是综合1,2的效应,即既利用卸载规律乂提高抗弯矩。（图13c）a&2rBBacouAz+zb3b11ffl4对薄板而言，板材是绕着X,Y轴弯曲的，因而板材的变形是X,Y两方向的综合。（图隔爆外壳的设计14“、 14b、 14c)即b14c四矩形薄板大挠度近似讣算方法近似计算的两个要点：1掌握并集中考虑矩形薄板的最大应力部位(1)对侧压均布的薄板的最大应力部位与最大形变部位是相

12、对应的:(2)最大变形如边界是刚性的，是在垂直于长边的中点方向; 最大应力点在矩形板的中心，向长边垂直方向。(图最大应力点11 II0152把变形的弹性面理想化为圆弧组成。隔爆外壳的设计近似讣算的几何关系（形变和位移关系），把矩形板的最大变形线看成一个长板条。(1)AB =矩形的短边a下面受压，板条上弯，形成AB,曲率半径为px，A3中心点在O, AB与A3将有一最大挠度f. Ox以度计。代入= 2和如x匕=叫纵 x匕2360257.29572隔爆外壳的设计板条按X轴向的应变:AB a=_T2 -x a_ 57.29572c 一1 &x=sm 2px“ 1sin x = nx157.2957同

13、样，沿Y轴向（即沿长边方向）的应变1sin -157.2957这就是简化的儿何方程。应力与应变的关系，即物理方程(6)_ 1 z 、 = (6一 “ ES y= _ ( ” y_ “ G X) E式中E=206GPaA =0.3 (钢)（4）、（5）、（6）可以画出以m、为坐标的曲线但是公式中（6）每一组都有（7 X、不能单独与、（5）代入求解，但是CT与by有一泄的关系。长边比短边的比例值大时，可以认为ay = 0长边接近短边时（或相等时），ay=ax这样可以作出两条曲线，中间再作出一条ay=-ax的曲线，作为内插参考。（图 2nx图17对于受力条件及边界条件，采用无矩理论的大挠度理论：空+

14、兰/（7）PX Py h式中（7y, （7 x 为任意一点在X, y方向的拉应力（薄膜应力）；px、py 为这点曲面在X, y方向的曲率半径；P 为板面所受的均布载荷，h为板厚（单位须与Qx, Qy致）。（7）是静力学公式，是by, bX的二元一次方程，要找到X，和by, Qy的近似关系简化成一元方程。矩形薄板在侧压下变形与它的长短边a,b有以下关系：挠度3心-Epx 80. 空=乞从前图知ABTpX0X（这里&X以弧度计）乂 ism 根据 sinx =x+ -X +丄X J X二+ 取前两项23245可将x向的应变值为:48p/2同理y 748p/因此6 - 6P】/ x 2 _ b b、.

15、 v b_ lx a a p:把公式(7),(8)代入得(9)Ppx - Py(10)(,+ 2(1+作为特例，当a=b ,此时C7x=o-y上式变为2h 4/znxa(H)当ba时nxa(12)这和通常材料力学求球面应力公式相当。公式(10)、(11)、(12)都是与nx有关的应力7x的直线方程，它通过原点，只要求 出任意一点，就可画出，如画在前面代表的儿何物理方程的曲线上，可以与相应的曲线 相交，交点就是儿何物理方程与静力学方程的共同解。具体作法：(1) 已知a,b,h及侧压力P,用公式(10)、(11)、(12)算出方程直线上一个点, 建议取 nx=10, pi(10, ax)(2) 画

16、出Opi与相应曲线相交，当 cr y0时，可用内插法；(3) 求解点上引垂线交于f曲线，可得f值；(4) 强度条件：ax240 MPa (W料屈服点)乂： f = f =昵8(1)仇2丄=丄 可作出f与nx的曲线(图18)a 4几以上为验算过程隔爆外壳的设汁如已知 a, b, P, o-x240 MPa 求 h(1) 由crxW240作水平线与相应的曲线相交，求出nx(2) 按公式(10)、(11)、(12)求出 h五讨论用近似计算法处理大型矩形外壳有很大裕度及可鼎性。1变形上的裕度：采用大挠度理论，主要是利用了大挠度变形时材料产生的薄膜应力平 衡了压力，挠度加大，受力情况更好，如果计算值低，

17、结果使挠度比预期值大，就不会 产生恶性循环。2材料性能上的裕度：材料一般为热轧成型的，其屈服点一般总在240 MPa2以上，极 限应力在4000 MPa以上，延伸率在2527%,以此汁算在屈服点的延伸率约为0.114%, 可见，如果钢板强度选用在弹塑性边缘，即240 MPa以下，距离到破坏应力裕度是很大 的。3外壳在出厂时的水压试验是稳定的内部压力，使用中如产生爆炸都为瞬态的爆炸压 力，在这种负载下，板材的屈服极限还会提高，最高可达一倍，即在稳态压力下屈服点为240 MPa,在瞬态爆炸压力下可达到280 MPa,这是可以理解的，因瞬态爆炸压力一019到峰值就衰减了。六具有初挠度薄板的计算(图1

18、9)ACB为初挠度，加圧后变为ACB/. -i 1 sin 得 E=牛(13)11 sin-1 tJ X将(和结合，在Ox和Oy三种关系下，作出三套曲线，即在不同的几(即*值)隔爆外壳的设计 作为起点,用（13）和计算在门减小时ox,这样可用（8）、（9）、（12）在心=10时，得出 直线，并延长，使之所标的初挠度那条曲线相交，即得解。方程（中的心已知，即有初挠度的外壳其久和巴是已知的。2初挠度可以是圆筒形外壳，也可是矩形外壳（即薄板压出鼓肚的），其至可用水压以 均匀的增加外壳侧壁的塑性变形作为初挠度。解出的应力Ox为最大应力，一般小于或等于钢板的屈服极限：OxWo = 240 MPa1给定薄板尺寸:七例:a=480 ； b=1370 ； h = 8 ； -=2.85 a取 nx = lQ代入公式（10）o x（nx = 10） =8xlOx48Q29MPa2x8x1.043在曲线图上，作线连接原点和迪229）两点，用插入法在。尸。和。尸”之间得出。x =